eLight | 量子斯格明子与纳米光子学介导的高维纠缠

量子信息处理的发展高度依赖高维纠缠态的实现与调控，这类量子态在量子通信、量子计算和量子传感等领域具有关键作用。光子作为量子信息的优质载体，可通过多种自由度编码量子信息，其中角动量相关的自旋角动量和轨道角动量是重要的编码维度。在傍轴近似下，这两种自由度可以分离，为量子信息的多维度编码提供了可能，但当光子被限制在波长尺度的纳米空间内时，它们会变得不可分离，进而形成与总角动量相关的新型量子态。现有技术中，基于自由空间光子的纠缠态易受环境干扰，稳定性不足，而集成光子学平台虽能实现微型化和高扩展性，却难以高效生成和灵活调控高维纠缠态，如何在芯片尺度上实现高稳定性、高维度的量子纠缠态生成与操控，成为制约量子信息处理技术发展的关键。

尽管纳米光子学为解决上述问题提供了潜在途径，但当前研究仍面临诸多未解决的核心挑战：其一，光子在纳米尺度受限环境下，自旋角动量与轨道角动量的耦合机制极为复杂，如何精准调控这种耦合过程，实现总角动量量子态向高维纠缠态的可控转化，相关物理机制尚未被完全揭示；其二，现有生成量子斯格明子等拓扑量子态的方案，多依赖多光束干涉或复杂的相位锁定技术，不仅系统稳定性差，还易受外界扰动影响，缺乏无需复杂外部调控、可直接在纳米光子器件中自然生成的高效方案；其三，对于纳米光子系统中量子态的演化过程，缺乏高精度的表征手段，难以全面解析量子态从近场到自由空间的转化规律，这也阻碍了高维量子纠缠态的优化设计与应用拓展。

研究团队创新性地构建了基于表面等离激元的纳米光子平台（如图1实验装置）。通过在金—空气界面制备圆形光栅与同心环形狭缝结构，实现光子与表面等离激元极化子模式的高效耦合，利用总角动量作为核心自由度，突破光子在纳米尺度下自旋角动量与轨道角动量不可分离的局限，成功将近场的总角动量量子态转化为自由空间中两者的高维纠缠态，且拓扑不变量达到±2。

图1：纳米光子模式中预示性纠缠探测的实验装置

研究团队采用量子态层析技术结合维格纳分布分析（见图2密度矩阵与图3维格纳函数展示），首次在实验中完整解析了光子量子态从近场到自由空间的演化过程。研究人员通过四种入射偏振态的精准调控与探测，重构出四维纠缠态的密度矩阵，其保真度高于97%，纯度高于91%，解决了传统方法难以精准表征纳米光子系统中高维量子态的难题，清晰揭示了量子斯格明子的纠缠本质。

图2：四个贝尔态的密度矩阵

图3：源于纳米光子模式的光子维格纳函数

此外，研究团队还实现了量子斯格明子的器件级自然生成（见图4）。无需多光束干涉或相位锁定技术，借助纳米光子结构的圆形对称性与总角动量守恒特性，让单光子通过器件后直接形成稳定的斯托克斯斯格明子，其拓扑数实验测量值与设计值高度吻合，且在传播过程中保持结构稳定，解决了传统量子斯格明子生成方案复杂、抗干扰能力弱的问题，为片上高维量子信息处理提供了稳健的量子态源。

图4：量子光子斯格明子的生成

该研究通过精心设计的纳米光子平台，成功实现了从光子总角动量状态到高维纠缠态的可控转化，首次在实验中证实了量子斯托克斯斯格明子的自然生成。研究借助量子态层析技术精准解析了量子态的演化过程，明确了纳米尺度下光子自旋角动量与轨道角动量的耦合机制，所生成的纠缠态具有高达±2的拓扑不变量，且保真度和纯度均保持在较高水平，为高维量子信息处理提供了全新的物理载体与实现路径。

展望未来，该纳米光子平台有望在多个方向实现突破与拓展。一方面，可通过优化器件结构与材料体系，进一步提升量子态的生成效率与稳定性，推动量子斯格明子在量子密钥分发等实际场景中的应用；另一方面，基于该平台的设计理念，有望开发出量子象散态、分数态等更多新型高维量子态，为超并行量子计算、高容量量子通信等领域提供核心支撑。同时，该平台与片上光子电路的良好兼容性，也为实现规模化、集成化的量子信息处理系统奠定了重要基础，未来有望在非线性光学调控等方向开辟新的研究空间。

Kam, A., Tsesses, S., Fridman, L. et al. Quantum skyrmions and high dimensional entanglement mediated by nanophotonics. eLight 6, 13 (2026). 

https://doi.org/10.1186/s43593-026-00124-1